Ein operationaler Zugang zur Physikdidaktik

1. Ein operationaler Zugang zur Physikdidaktik Fakultät für Physik, Universität Wien Franz Embacher Bewerbungsvortrag, 12. 10. 2009

2. Ein operationaler Zugang... • Aneignen physikalischer Konzepte und erwerbenphysikalischen Wissens durch selbständigesOperieren. • Experimente selbst durchführen, • Experiment zur Überprüfung einer Vermutung entwerfen und durchführen, • bekannte Konzepte auf neue Situationen anwenden, • auf der Basis eines Modells das Verhalten eines physikalischen Systems erklären („Vorhersagen treffen“) • die Parameter eines Modells variieren, • Experimente zur Überprüfung einer Vermutung zu entwerfen und durchzuführen,... •  Raum für die Konfrontation der Lernenden mit ihren eigenen mitgebrachten Konzepten (den „Schülervorstellungen“)

3. Ein operationaler Zugang...  Experiment: „Schülerversuche“  Theorie: Operieren mit Konzepten und Modellen  Physikunterricht  Lehramtsausbildung  LehrerInnen-Weiterbildung  Sachlogik (Aufbau des Stoffs)  Unterrichtsmethode (Lernkultur)

4. Inhalt • Themen der modernen Physik • Das Transferproblem Mathematik  Physik • Probleme der Lehramtsausbildung Physik • Weitere Forschungs- und Entwicklungsfelder

5. Themen der modernen Physik • Paul Shabajee and Keith Postlethwaite: • What happened to modern physics? • Relativity, Quantum Mechanics and Chaos theory are three of themost significant scientific advances of the 20th Century – each fundamentally changing our understanding of the physical universe. • ...the UK National Curriculum in science almost entirely ignores them. • School Science Review 81, 297 (2000) • http://arxiv.org/abs/physics/0401016

6. Themen der modernen Physik „Traditionelle“ Physikthemen Physik des 20./21. Jahrhunderts Klassische Mechanik Quantenphysik Bewegung, Newton 2 Zustandsbegriff, Messung, Energie/Impuls, Erhaltung Schrödingergleichung Thermodynamik Allgemeine Relativitätstheorie T, p, V, UGekrümmte Raumzeit Geometrische Optik „Physics of Star Trek“ Linsenkonstruktionen Zeitreisen, Wurmlöcher,... Elektrodynamik(Feldbegriff) Gaskinetik(statistische Argumentation) Spezielle Relativitätstheorie Kosmologie

7. Themen der modernen Physik • Ein operationaler Zugang zu Themen der modernen Physik(in Unterstufe AHS und Oberstufe AHS/BHS) erfordert: • altersadäquate „Elementarisierung“ von Konzepten und Modellen (nicht nur von Phänomenen!) • altersadäquaten Kontextbezug, geeignete U-Methode,... • Neuere Ansätze • erforschen Schülervorstellungen • entwerfen die Sachlogik neu  Unterrichtskonzepte • betonen und fördern das Denken in Modellen • benutzen elektronische Visualisierungs-, Interaktions- und Modellierungstechniken • beziehen z.T. die Lernkultur mit ein (eigenverantwortliches und offenes Lernen, Lernen durch Lehren,...) • untersuchen die Wirksamkeit der Unterrichtskonzepte

8. Themen der modernen Physik: Quantenphysik • Beispiel: Quantenphysik • Neue sachlogische Ansätze, u.a.: • Elementarisierung des üblichen Formalismus (Brachner und Fichtner) • Zeigerformalismus (Bader, Küblbeck, Erb/Schön) • Qualitativer Zugang (Rainer Müller, Hartmut Wiesner) • Doppelspaltexperiment, Quanteninformation • Unterrichtskonzepte (Bremer, Berliner, Münchener,...) • Untersuchungen von Schülervorstellungen: • Thomas Bethge (1988, 1992) • Hartmut Wiesner et al (1889, 1886) • Michael Lichtfeldt und Helmut Fischler (1992)

9. Themen der modernen Physik: Forschungsfragen • Forschungsrelevante Fragestellungen: • Evaluation konkreter sachlogischer Entwicklungen: • Elizur-Vaidmann-Bombenexperiment als Einstieg in die Quantenphysik • Quanten-Gickse • Durch welche Elemente in der Sachstruktur wird dasDenken in Modellen (das systemische Denken) unterstützt? Welche Inhalte und Formen eigenständigen Operierens eignen sich dazu? • Welchen Einfluss haben Unterrichtsmethode undLernkultur? • Welche Inhalte und Formen eigenständigen Operierens fördern das Erfassen des Vorhersage- und Erklärungs- potentials der modernen Physik? Welche fördern dasÜbersichtsswissen?

10. Das Transferproblem Atome

11. Das Transferproblem Mathematik  Physik • Mathematikunterricht Physikunterricht • Löse die Gleichung Berechne die nach x! Geschwindigkeit v! • Typische Problemfelder: • Visualisierungen (Graphen) interpretieren • Visualisierungen (Graphen) anfertigen • Terme („Formeln“) interpretieren • Terme in einfach(st)er Weise umformen • Einfach(st)e Gleichungen lösen • Winkelfunktionen ax2 mv2 = bc = eU 2 2

12. Das Transferproblem Mathematik  Physik • Andererseits... • ...findet eine Umorientierung des Mathematikunterrichts statt..., • Kompetenzen (verstehend operieren, interpretieren und argumentieren, beurteilen) • Einsatz elektronischer Werkzeuge (dynamische Geometrie, Computeralgebra, Tabellenkalkulation,...) Österreich = Weltspitze! • ...die die Physikdidaktik berücksichtigen sollte! • Erste Untersuchungsergebnisse: Technologiegestützter Mathematikunterricht führt zu besseren signifikantverbesserten Ergebnissen beim Darstellen, Interpretieren und Argumentieren in Standardtests der Sekundarstufe 2! Helmut Heugl, Sustainability of mathematics education by using technology, in: Proceedings of the TIME 2008 conference (Technology and its Integration into Mathematics Education), ISBN 978-3-901769-82-5.

13. Transferproblem: Forschungsfragen • Forschungsrelevante Fragestellungen: • Wird der Transfer M Ph durch die Nutzung der gleichen (oder ähnlicher)elektronischer Werkzeuge in beiden Fächern erleichtert? • Welche Inhalte und Formen eigenständigen Operierens, welche Einsatzformen elektronischer Werkzeuge (im Physikunterricht + im Mathematikunterricht) erleichtern den Transfer elementaren Wissen M  Ph? • Welchen Einfluss haben Unterrichtsmethode undLernkultur?

14. Probleme der Lehramtsausbildung Physik

15. a F = ma F u. a. durch eigenständiges Operieren! (Elementarisierungen vornehmen und durchdenken,...) Fachausbildung  verweist auf Fachdidaktik Fachdidaktik  verweist auf Fachausbildung Probleme der Lehramtsausbildung Physik Schülervorstellungen sind (manchmal) Lehrervorstellungen FZ FG Wo und wie sollten Lehramtsstudierende schülerInnengerechte und sachlogisch sinnvolle Zugänge lernen?

16. Probleme der Lehramtsausbildung Physik • Zwei weitere (schulrelevante) Beispiele: • Newton 2 „Wieso war das zweite Newtonsche Axiom 200 Jahre langdas Fundament der Physik? Ist es eine Definition oder eine Behauptung? Hat es einen Vorhersagewert, und wenn dann welchen?“ • Feldbegriff Gravitationsfeld (Newton) elektromagnetisches Feld • kann als reine Rechengröße hat Energie aufgefasst werden (und Impuls)! F a = F = ma m a F a = m F

17. Probleme der Lehramtsausbildung Physik • Konzeptverständnis der Studierenden  erste Tests • Gründe für Studienabbrüche im Bereich des Lehramts • „Schulwissen“ vs. „Hochschulwissen“ • Um wieviel mehr müssen LehrerInnen wissen als ihre SchülerInnen? („Wieviel Lagrange und Hamilton?“, wieviel Quantenoptik, wieviel Superstrings?) • Akzeptanz durch die Studierenden • Sprechen über Physik – welche (methodisch-didaktischen) Faktoren erleichtern/erschweren die verbale Artikulation? •  hochschuldidaktisches, auf die zukünftige Entwicklung der Lehramtsausbildung und auf den Physikunterricht gerichtetes Forschungsfeld

18. Probleme der Lehramtsausbildung Physik • Trennung Fachausbildung – fachdidaktische AusbildungAlternativen? Würde eine weitergehende Durchdringung dieser beiden „Säulen“ des Lehramts-Studiums die Probleme abmildern? • Sowohl Elementarisierungen als auchtypische Fehlvorstellungen gleichzeitig mit den fachlichen Inhalten kennen lernen? • Soll/kann das nötige „Überblickswissen“ im Rahmen der Fachausbildung auch in elementarisierter Form erlangt werden? • Bologna-Architektur des Lehramts-Studiums: auch als Chance begreifen? langfristige Begleitforschung zur Wirksamkeit universitärer LA-Curricula [Studienerfolg, Wirksamkeit des Unterrichts!] div E = r

19. Weitere Forschungs- und Entwicklungsfelder

20. Gender 1

21. Gender 2

22. Weitere Forschungs- und Entwicklungsfelder • Gender • Mehrdeutigkeiten in physikalischen Interpretationen • Computereinsatz und eLearning (nicht ob, sondern wie) • Fachdidaktische Aspekte der Leistungsbewertung und Leistungsbeurteilung • Begleitforschung zur Entwicklung und Pflege von Bildungsstandards • Regelmäßige Identifizierung „physikrelevanter“ und motivierender Themen („lebensweltlicher“ Kontextbezug) • Fächerübergreifender Unterricht • Begleitforschung zu Brückenkurs-Aktivitäten • Einbeziehung von Lehrkräften • Wer soll das alles machen?

23. Danke... ... für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation finden Sie im Web unter http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/PhysikDidaktik/Vortrag12.10.2009.pps